JP4091762B2

JP4091762B2 - Single crystal manufacturing method

Info

Publication number: JP4091762B2
Application number: JP2001373847A
Authority: JP
Inventors: 達也渡辺; 剛山田
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003176198A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体封止チョクラルスキー法（以下、ＬＥＣ法と記載する。）による単結晶の製造方法および化合物半導体の単結晶インゴットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の化合物半導体単結晶を得る方法として、ＬＥＣ法がある。ここで図２を参照しながら、ＬＥＣ法を用いた従来の技術に係る単結晶の成長方法の一例について説明する。
図２は、単結晶製造装置１０を用い、従来の技術によってＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている際の断面模式図である。
【０００３】
単結晶製造装置１０は、内部を高圧雰囲気に保つことのできる圧力容器１１と、圧力容器１１の内側に設置された断熱材１９と、断熱材１９の内側に設置されたヒーター１６と、ヒーター１６の内側に設置され且つルツボホルダー１４に保持されたルツボ１３とを有している。
ルツボ１３は、これを保持するルツボホルダー１４が図示していない回転・昇降機構を有するルツボ回転軸１５に接続されており、圧力容器１１内の気密を破ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
このルツボ１３内では、ＧａＡｓ等の化合物半導体の原料がヒーター１６に加熱されて融解し、原料融液３１となっている。この原料融液３１はＢ₂Ｏ₃等の液体封止材３７で封止されている。
一方、ルツボ１３の上方には、図示していない回転・昇降機構に支持され、前記ルツボ回転軸１５と回転中心を一致させた種結晶（以下、シードと記載する。）回転軸１８に接続されたシードホルダー１７が設置され、シードホルダー１７にはシード３２が取り付けられているので、シード３２は、ルツボ１３中の原料融液３１および液体封止材３７における液表面の中心にて、圧力容器１１内の気密を破ることなく、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
尚、圧力容器１１内は、加圧されたＡｒ、Ｎ₂等の不活性ガス雰囲気１２で満たされ、上述した液体封止材３７とともに原料融液３１の揮散を抑制している。また、ヒーター１６とルツボホルダー１４との間には温度センサー２０が設置されルツボ１３の温度制御をおこなう。
【０００４】
次に、単結晶製造装置１０を用いた、従来の技術によるＧａＡｓ等の半導体単結晶の引き上げについて、簡単に説明する。
まず、ルツボ１３とシード３２を互いに逆方向または同方向に回転させながらシード３２を降下し、先端を原料融液３１に浸せきする。そしてシード３２が原料融液３１液面に浸せきしている固液の境界（以下、メニスカスと記載する。）３４が、単結晶の成長開始に適した状態となるようにルツボ１３周囲のヒーター１６の制御温度を設定する。次にシード３２の引き上げを開始してネック部３３を形成し、さらにシード３２を引き上げつつヒーター１６の温度を徐々に降温して、ネック部３３より単結晶のコーン成長を開始させている。
【０００５】
ところが従来の方法により、ヒーター１６の温度を徐々に降温しながらネック部３３よりコーン成長を開始させると、ネック部３３において針状結晶（以下、デンドライトと記載する。）３８が成長を始め、これが原因となって単結晶コーン部の多結晶化が始まってしまうことがしばしば発生する。
この多結晶化が確認された場合は、単結晶成長工程をもとに戻して、多結晶化した部分とデンドライト３８とを再融解（以下、メルトバックと記載する。）し、再度メニスカス３４が好ましい結晶成長開始状態となるように、温度等を調整する必要がある。このため、単結晶製造の生産効率を上げることは困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ＬＥＣ法による単結晶成長工程において、シードのネック部よりコーン成長が開始し成長する際の、デンドライト発生を抑制する手段を提供し、併せて生産効率の高い単結晶インゴットを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの研究の結果、まず前記ヒーターの降温速度が大きいとデンドライトの発生頻度は高くなることが判明した。
しかし、デンドライトの発生頻度を抑制するためにヒーターの降温速度を小さくすると、今度はシードのネック部よりコーン成長が開始するまでの時間が延長されてしまい、これではネック部の長さが、不要に長くなるため単結晶製造の生産効率を上げることは困難である。
【０００８】
ここで本発明者らは、デンドライトの発生・成長する原因について、さらに解明をおこなった。その解明結果について、再び、図２を参照しながら説明する。すなわち、デンドライト３８が発生・成長する原因とは、まず原料融液３１において水平方向の温度勾配が小さい部分がメニスカス３４付近に形成される。次に、原料融液３１の液温の低下とともに、このメニスカス３４付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する過冷却状態部分３９となる。そしてこの過冷却状態部分３９の存在がデンドライト３８の発生・成長原因であるということに想達した。
そこで、ヒーター１６の降温速度を制御して、上述した原料融液３１における水平方向の温度勾配が小さい部分を縮小させようとした。しかし、ヒーター１６の降温速度制御では、原料融液３１の精密な温度制御が困難なため、却ってデンドライド３８の発生・成長を助長してしまう結果となった。
【０００９】
ここで本発明者らは、発想を全く転換し、ヒーター１６の降温速度を大きくするのではなく、ルツボ１３の回転速度を制御することで、メニスカス３４付近における原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御できることに想到した。すなわち、従来、単結晶引き上げの際は、正確な温度制御とネック部３３の切断現象を回避するためルツボ１３の回転数は一定としていたのである。しかし、本発明者らは、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配と、この上昇開始時と上昇完了時の回転数の変化幅とを精密に制御することで、ネック部３３の切断現象を回避しつつ、ヒーター１６の降温速度制御では実現できなかったメニスカス３４付近における原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御することができることを見出した。
【００１０】
この温度勾配を精密に制御することができるメカニズムは、ルツボ１３の回転に伴うコリオリの力により原料融液３１の対流が抑制される結果、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配を下げると原料融液３１の温度が上昇し、ルツボ１３の回転数を上昇させる勾配を上げると原料融液３１の温度が下降するのであると推察される。
すなわち、上記原料融液３１の水平方向の温度勾配を精密に制御するという困難な制御を、ルツボ１３の回転数制御という極めて容易な制御で達成できることを見出したものである。
さらに好ましいことには、上記メカニズムは、原料融液３１において、上述した水平方向の温度勾配の小さな原料融液部分を縮小する効果を有し、広い分布を有する過冷却状態部分３９の発生を抑制することも達成している。
この結果、ネック部３３からのデンドライト３８の発生・成長を抑制することを実現したものである。
【００１１】
すなわち、課題を解決するための第１の発明は、液体封止チョクラルスキー法を用いた単結晶製造方法であって、
ルツボの回転数を上昇させながら、前記単結晶の原料融液に浸せきした種結晶を引き上げることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１２】
この構成を採ることで、メニスカス付近の過冷却状態の部分を狭く保ったまま、融液の温度を極めて正確に制御することが実現できた。この結果、単結晶成長においてメニスカス付近のデンドライトの発生は抑制しつつ、前記ネック部より前記単結晶のコーン成長を開始させることができるので、単結晶製造の生産効率を大きく上げることが可能になった。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明に記載の単結晶製造方法であって、
前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎであり、前記単結晶のコーン成長が開始する際のルツボの回転数が、１〜３０ｒｐｍの範囲内であることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１４】
ここで、第１の発明に記載の単結晶製造方法において、前記ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎであることが好ましい。何となれば、ルツボの回転数を上昇させる勾配が０．０５ｒｐｍ／ｍｉｎ以上あれば、メニスカス付近における原料融液の温度勾配の小さな部分を縮小させることができる。一方、ルツボの回転数を上昇させる勾配が５ｒｐｍ／ｍｉｎ以下であれば、原料融液中に乱流が発生しないからである。
さらに、ネック部より単結晶のコーン成長を開始させる際のルツボの回転数は、１〜３０ｒｐｍの範囲内であることが好ましい。何となれば、このときのルツボの回転数が１ｒｐｍ以上あれば、単結晶がネック部よりコーン成長を開始するのに好適な、原料融液温度の制御が実現できるからである。一方、ルツボの回転数が３０ｒｐｍ以下であれば、原料融液内に発生する激しい乱流を回避することができる。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明に記載の単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ開始の際より、前記単結晶のコーン成長が開始するまでのヒーターの昇降温速度が−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲内にあり、かつ前記シードの引き上げ開始の際のヒーター温度と前記単結晶の成長が開始するまでのヒーター温度との差が５℃以下であることを特徴とする単結晶製造方法である。
【００１６】
ここで、第１または第２のの発明に記載の単結晶製造方法において、シードの引き上げ開始の際より、単結晶がネック部よりコーン成長を開始するまでのヒーターの昇降温速度が−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲にあることが好ましい。何となれば、ヒーターの降温速度が−０．０４℃／ｍｉｎより低いとネック部からのデンドライトの発生・成長頻度が増加し、昇降温速度が−０．０４℃／ｍｉｎ〜＋５℃の範囲にあると、ネック部からのデンドライトの発生・成長を効果的に抑制でき、ヒーターの昇温速度が＋５℃／ｍｉｎより高いと、原料融液に浸せきされたシードが溶ける（以下、メルトオフと記載する。）頻度が増加するからである。
さらに、シードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と、単結晶がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差が５℃以下であると、ネック部におけるデンドライトの発生・成長頻度を効果的に抑制でき好ましい。
すなわち、ヒーターの昇降温速度、シードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度および単結晶がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を上記の範囲に設定することで、シードのメルトオフおよびネック部におけるデンドライトの発生・成長の両者を抑制し、安定した単結晶成長を実現することができる。
【００１７】
第４の発明は、液体封止チョクラルスキー法によって引き上げられた、ＧａまたはＩｎを含有する化合物半導体の単結晶インゴットであって、
ネックの長さが８ｍｍ以下であることを特徴とする単結晶インゴットである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例について、ＧａＡｓ単結晶引き上げを例として、図１を参照しながら説明する。
尚、図１、図２において、相当する部分には同一の符号を付して示した。
【００１９】
（単結晶成長装置）
図１は、単結晶製造装置１０を用い、本発明の実施の形態例に係るＧａＡｓ化合物半導体単結晶の引き上げをおこなっている際の断面模式図である。
図１に示した単結晶製造装置１０は、構造および機構において、図２に示した単結晶製造装置１０と同様の装置である。
すなわち、単結晶製造装置１０は、圧力容器１１と、圧力容器１１の内側に設置された断熱材１９と、断熱材１９の内側に設置されたヒーター１６と、ヒーター１６の内側に設置され且つルツボホルダー１４に保持されたルツボ１３とを有している。
ルツボ１３は、これを保持するルツボホルダー１４とルツボ回転軸１５とに接続されているので、圧力容器１１内の加圧された不活性ガス雰囲気１２の気密性を破ることなく所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
【００２０】
このルツボ１３内では、ＧａＡｓ等の化合物半導体がヒーター１６に加熱されて融解し、原料融液３１となっている。この原料融液３１はＢ₂Ｏ₃等の液体封止材３７で封止されている。尚、ルツボ１３の温度は温度センサー２０で制御される。
一方、ルツボ１３の上方には、前記ルツボ回転軸１５と回転中心を一致させたシード回転軸１８にシードホルダー１７を介してシード３２が取り付けられており、シード３２は、ルツボ１３中の原料融液３１および液体封止材３７における液表面の中心にて、所望の回転および昇降運動をおこなうことができる。
【００２１】
ルツボ１３内には、ヒーター１６により加熱されて液体となったＧａＡｓ融液３１が下層に、同じく加熱されて液体となったＢ₂Ｏ₃が封止材３７として上層に存在している。
シードホルダー１７にはＧａＡｓ単結晶のシード３２が設置され、ＧａＡｓ融液３１よりＧａＡｓ単結晶インゴットが引き上げられつつある。図１に示した状態は、ネック部３３からコーン成長が開始し、コーン成長部３５が形成された後、直胴部３６が形成されつつある状態である。
【００２２】
（単結晶インゴットの引き上げ）
ルツボ１３内に、原料のＧａＡｓと封止材のＢ₂Ｏ₃を装填し、圧力容器１１内を不活性ガスによる高圧雰囲気とする。ルツボ１３を回転しながらヒーター１６にて加熱し、ＧａＡｓとＢ₂Ｏ₃とを２層の融液とする。
ここで、ＧａＡｓ融液３１の液温をＧａＡｓの融点である１２３８℃、ルツボ１３の回転数を１〜３０ｒｐｍとした後、シード３２を回転数１０ｒｐｍでルツボ１３と逆回転させながら降下させ、先端をＧａＡｓ融液３１に浸せきする。
ここでシード３２の回転方向とルツボ１３の回転方向とを逆回転させるのは、この逆回転によりネック部３３の切断現象を回避できるからである。
【００２３】
次に、ヒーター１６による加熱を適宜に調整して、メニスカス３４の部分が単結晶の成長開始に適した状態となったらシード３２の引き上げを開始しネック部３３を形成する。
シード３２の引き上げとともにルツボ１３の回転数を上げていくが、その回転数を上昇させる勾配は、上述したように０．０５〜５ｒｐｍ／ｍｉｎが好ましい。
すると、ネック部３３よりコーン成長が開始するが、その際のルツボ１３の回転数は、上述したように１〜３０ｒｐｍとすることが好ましい。
さらに、シード３２の引き上げ開始の際より、ネック部３３よりコーン成長部３５が成長を開始するまでのヒーター１６の昇降温速度を、上述したように−０．０４〜＋５℃／ｍｉｎの範囲とし、かつシード３２の引き上げ開始におけるヒーター１６の温度と、ネック部３３よりコーン成長部３５の成長を開始させる際のヒーター１６の温度との差を５℃以下とする。
この構成を採ることで、ネック部３３よりコーン成長部３５が成長を開始する際、ＧａＡｓ融液３１と封止材３７との界面にあたるネック部３３を基点とするデンドライトの発生・成長を抑制することができる。
【００２４】
上述したように、デンドライトの発生・成長する要因は、まず原料融液において水平方向の温度勾配が小さい部分がメニスカス付近に形成されることにある。次に、原料融液の液温の低下とともに、そのメニスカス付近の温度勾配の小さな部分が、広い分布を有する過冷却状態部分となる。そしてこの過冷却状態部分の存在がデンドライトの発生・成長原因となっていた。
そして、上記構成によりデンドライトの発生・成長が抑制されたのは、シード３２の引き上げとともにルツボ１３の回転数を上げることで、ＧａＡｓ融液３１の水平方向の温度勾配が大きくなり、図２に示したメニスカス３４付近に、ＧａＡｓ融液３１の過冷却状態部分３９が形成されるのを抑制した状態で、単結晶インゴットのコーン成長を開始できたことにあると考えられる。
【００２５】
さらに加えて、上記構成を採ることで、ここで再び図１に戻り、ネック部３３よりコーン成長を開始させる際の、ネック部３３の長さを８ｍｍ以下とすることが可能になった。
前述したように、従来このネック部３３の長さを短縮化することを目論んで、ヒーター１６の降温速度を速めても、デンドライト３８の発生・成長が促進されてしまい、その度にメルトバックを実施せざるを得ず、結局、ネック部３３の長さを１５ｍｍ以下へ短縮化することは困難であった。そして、このネック部３３の長さを短縮化することの困難性は、単結晶インゴット製造における生産効率向上を阻む問題点の１つであった。
【００２６】
以上、説明したように上記の構成を採ることにより、単結晶インゴットの引き上げにおいてシード３２をメルトバックする頻度が減少し、さらにネック部３３の長さを８ｍｍ以下とすることが可能になったことより、単結晶インゴットの生産効率を大幅に上げることが可能となった。
【００２７】
（実施例１）
ルツボ内に、原料のＧａＡｓと封止材のＢ₂Ｏ₃を装填し、圧力容器内を不活性ガスにより高圧雰囲気とする。ルツボを回転しながらヒーターにて加熱し、ＧａＡｓとＢ₂Ｏ₃とを２層の融液とする。
ここで、ＧａＡｓ融液の液温を１２３８℃とした後、シードをルツボと逆回転させながら降下させ、シードの先端をＧａＡｓ融液に浸せきする。
【００２８】
ヒーターの加熱を調整し、シードの先端に形成されるメニスカスの状態が単結晶の成長開始に適した状態となったらシードの引き上げを開始する。
シードの引き上げとともにルツボの回転数を上げていくが、その回転数を上昇させる勾配は０．０９ｒｐｍ／ｍｉｎとし、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅は５ｒｐｍとした。
同様に、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．０２℃／ｍｉｎとし、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を１℃とし、ＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００２９】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを８ｍｍとすることができた。
【００３０】
（実施例２）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を０．２４ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を９ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．１℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を２．５℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３１】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを６ｍｍとすることができた。
【００３２】
（実施例３）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を０．５ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を１０ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．１５℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を３℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３３】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを５ｍｍとすることができた。
【００３４】
（実施例４）
ルツボの回転数を上昇させる勾配を１ｒｐｍ／ｍｉｎ、単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際におけるルツボの回転数の変化幅を１５ｒｐｍ、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を＋０．２６℃／ｍｉｎ、かつシードの引き上げ開始の際におけるヒーター温度と単結晶インゴットの成長がネック部よりコーン成長を開始する際のヒーター温度との差を４℃とし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３５】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は１０％以下であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さを４ｍｍとすることができた。
【００３６】
（比較例）
ルツボの回転数は一定とし、シードの引き上げ開始におけるヒーターの昇降温速度を−０．０９℃／ｍｉｎとし、他は実施例１と同様の操作によりＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げた。
【００３７】
このＧａＡｓ単結晶インゴットを引き上げにおいて、デンドライトの発生頻度は５０％であった。また引き上げられたＧａＡｓ単結晶インゴットのネック部の長さは１５ｍｍであった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＬＥＣ法による単結晶成長工程において、原料融液に浸せきしたシードを引き上げる際、ルツボの回転数を上昇させながら単結晶を引き上げることにより、単結晶がネック部よりコーン成長する際に、ネック部よりデンドライトが発生・成長するのを抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法による単結晶の引き上げの際の断面模式図である。
【図２】従来の方法による単結晶の引き上げの際の断面模式図である。
【符号の説明】
１０単結晶製造装置
１１圧力容器
１２不活性ガス雰囲気
１３ルツボ
１４ルツボホルダー
１５ルツボ回転軸
１６ヒーター
１７シードホルダー
１８シード回転軸
１９断熱材
２０温度センサー
３１原料融液
３２シード
３３ネック部
３４メニスカス
３５コーン成長部
３６直胴部
３７封止材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a single crystal by a liquid-sealed Czochralski method (hereinafter referred to as LEC method) and a single crystal ingot of a compound semiconductor.
[0002]
[Prior art]
As a method for obtaining a compound semiconductor single crystal such as GaAs, GaP, or InP, there is an LEC method. Here, an example of a conventional single crystal growth method using the LEC method will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view when a single crystal manufacturing apparatus 10 is used to pull up a compound semiconductor single crystal such as GaAs by a conventional technique.
[0003]
The single crystal manufacturing apparatus 10 includes a pressure vessel 11 capable of keeping the inside in a high-pressure atmosphere, a heat insulating material 19 installed inside the pressure vessel 11, a heater 16 installed inside the heat insulating material 19, and a heater 16 And a crucible 13 held by a crucible holder 14.
The crucible 13 is connected to a crucible rotating shaft 15 having a rotation / lifting mechanism (not shown). A crucible holder 14 for holding the crucible 13 performs desired rotation and lifting movements without breaking the airtightness in the pressure vessel 11. Can be done.
In the crucible 13, a raw material of a compound semiconductor such as GaAs is heated by the heater 16 and melted to form a raw material melt 31. This raw material melt 31 is sealed with a liquid sealing material 37 such as B ₂ O ₃ .
On the other hand, above the crucible 13, it is supported by a rotation / lifting mechanism (not shown), and connected to a seed crystal (hereinafter referred to as a seed) rotation shaft 18 that is aligned with the crucible rotation shaft 15. Since the seed holder 17 is installed, and the seed 32 is attached to the seed holder 17, the seed 32 is a pressure vessel at the center of the liquid surface in the raw material melt 31 and the liquid sealing material 37 in the crucible 13. The desired rotation and elevating motion can be performed without breaking the airtightness in the interior 11.
In addition, the inside of the pressure vessel 11 is filled with pressurized inert gas atmosphere 12 such as Ar, N ₂ , and the volatilization of the raw material melt 31 is suppressed together with the liquid sealing material 37 described above. A temperature sensor 20 is installed between the heater 16 and the crucible holder 14 to control the temperature of the crucible 13.
[0004]
Next, the pulling up of a semiconductor single crystal such as GaAs by the conventional technique using the single crystal manufacturing apparatus 10 will be briefly described.
First, the seed 32 is lowered while rotating the crucible 13 and the seed 32 in opposite directions or in the same direction, and the tip is immersed in the raw material melt 31. The heater 16 around the crucible 13 is set so that a solid-liquid boundary (hereinafter referred to as meniscus) 34 where the seed 32 is immersed in the surface of the raw material melt 31 is in a state suitable for starting the growth of a single crystal. Set the control temperature. Next, the raising of the seed 32 is started to form the neck portion 33, and further, the temperature of the heater 16 is gradually lowered while the seed 32 is pulled up, and the cone growth of the single crystal is started from the neck portion 33.
[0005]
However, when cone growth is started from the neck portion 33 while gradually lowering the temperature of the heater 16 by the conventional method, needle-like crystals (hereinafter referred to as dendrites) 38 begin to grow at the neck portion 33. It often occurs that the polycrystallization of the single crystal cone portion starts.
When this polycrystallization is confirmed, the single crystal growth process is returned to the original state, the polycrystallized portion and the dendrite 38 are remelted (hereinafter referred to as meltback), and the meniscus 34 is again formed. It is necessary to adjust the temperature and the like so as to obtain a preferable crystal growth start state. For this reason, it has been difficult to increase the production efficiency of single crystal production.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a means for suppressing the generation of dendrites when cone growth starts from the neck portion of the seed in the single crystal growth step by the LEC method, and a single crystal ingot with high production efficiency is also provided. Is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of the study by the present inventors, it has been found that the frequency of dendrite generation is increased when the cooling rate of the heater is large.
However, if the temperature drop rate of the heater is reduced in order to suppress the frequency of dendrite generation, the time until the start of cone growth will be extended from the neck of the seed this time, so the length of the neck is unnecessary. Therefore, it is difficult to increase the production efficiency of single crystal production.
[0008]
Here, the present inventors further elucidated the cause of the generation and growth of dendrites. The clarification result will be described again with reference to FIG. That is, the cause of the generation and growth of the dendrite 38 is that a portion having a small horizontal temperature gradient is formed in the vicinity of the meniscus 34 in the raw material melt 31. Next, as the liquid temperature of the raw material melt 31 decreases, a portion with a small temperature gradient near the meniscus 34 becomes a supercooled state portion 39 having a wide distribution. The present inventors have conceived that the existence of the supercooled portion 39 is the cause of the generation and growth of the dendrite 38.
Therefore, the temperature lowering rate of the heater 16 is controlled to reduce the portion of the raw material melt 31 where the temperature gradient in the horizontal direction is small. However, since the temperature lowering rate control of the heater 16 is difficult to precisely control the temperature of the raw material melt 31, the generation and growth of the dendride 38 is promoted.
[0009]
Here, the inventors completely changed the idea and did not increase the temperature lowering speed of the heater 16 but controlled the rotational speed of the crucible 13 to thereby control the temperature of the raw material melt 31 in the vicinity of the meniscus 34 in the horizontal direction. We came up with the idea that the gradient can be precisely controlled. In other words, conventionally, when pulling a single crystal, the rotational speed of the crucible 13 is constant in order to avoid accurate temperature control and the cutting phenomenon of the neck portion 33. However, the present inventors avoid the cutting phenomenon of the neck portion 33 by precisely controlling the gradient for increasing the rotation speed of the crucible 13 and the range of change in the rotation speed at the start of the increase and completion of the increase. However, it was found that the temperature gradient in the horizontal direction of the raw material melt 31 in the vicinity of the meniscus 34 that could not be realized by the temperature drop rate control of the heater 16 could be precisely controlled.
[0010]
The mechanism capable of precisely controlling the temperature gradient is that the convection of the raw material melt 31 is suppressed by the Coriolis force accompanying the rotation of the crucible 13, and as a result, if the gradient for increasing the rotational speed of the crucible 13 is lowered, the raw material melt is reduced. It is presumed that the temperature of the raw material melt 31 decreases when the temperature of the liquid 31 rises and the gradient that increases the rotational speed of the crucible 13 is increased.
That is, it has been found that the difficult control of precisely controlling the temperature gradient in the horizontal direction of the raw material melt 31 can be achieved by an extremely easy control such as the rotational speed control of the crucible 13.
More preferably, the mechanism has the effect of reducing the above-described raw material melt portion having a small temperature gradient in the horizontal direction in the raw material melt 31 and suppresses the generation of the supercooled portion 39 having a wide distribution. It has also been achieved.
As a result, the generation and growth of the dendrite 38 from the neck portion 33 is suppressed.
[0011]
That is, the first invention for solving the problem is a method for producing a single crystal using a liquid-sealed Czochralski method,
A method for producing a single crystal characterized by pulling up a seed crystal immersed in a raw material melt of the single crystal while increasing the rotational speed of the crucible.
[0012]
By adopting this configuration, it was possible to control the temperature of the melt very accurately while keeping the supercooled portion near the meniscus narrow. As a result, it is possible to start the cone growth of the single crystal from the neck portion while suppressing the generation of dendrites near the meniscus in the single crystal growth, and thus it is possible to greatly increase the production efficiency of single crystal production. It was.
[0013]
A second invention is a method for producing a single crystal according to the first invention,
The gradient for increasing the rotational speed of the crucible is 0.05 to 5 rpm / min, and the rotational speed of the crucible when the cone growth of the single crystal starts is in the range of 1 to 30 rpm. It is a single crystal manufacturing method.
[0014]
Here, in the method for producing a single crystal according to the first invention, it is preferable that the gradient for increasing the rotational speed of the crucible is 0.05 to 5 rpm / min. In any case, if the gradient for increasing the rotational speed of the crucible is 0.05 rpm / min or more, the portion where the temperature gradient of the raw material melt near the meniscus is small can be reduced. On the other hand, if the gradient for increasing the rotational speed of the crucible is 5 rpm / min or less, turbulent flow does not occur in the raw material melt.
Furthermore, it is preferable that the rotational speed of the crucible when starting the cone growth of the single crystal from the neck portion is in the range of 1 to 30 rpm. This is because if the number of revolutions of the crucible at this time is 1 rpm or more, it is possible to realize control of the raw material melt temperature suitable for the single crystal to start cone growth from the neck portion. On the other hand, if the number of revolutions of the crucible is 30 rpm or less, a severe turbulent flow generated in the raw material melt can be avoided.
[0015]
A third invention is a method for producing a single crystal according to the first or second invention,
The temperature increase / decrease rate of the heater is within a range of −0.04 to + 5 ° C./min from the start of pulling up the seed crystal until the start of cone growth of the single crystal, and at the start of pulling up the seed The method for producing a single crystal is characterized in that the difference between the heater temperature until the start of the growth of the single crystal is 5 ° C. or less.
[0016]
Here, in the single crystal manufacturing method according to the first or second invention, the temperature increasing / decreasing speed of the heater from the start of the pulling of the seed until the single crystal starts cone growth from the neck is −0. It is preferably in the range of 04 to + 5 ° C./min. If the rate of temperature drop of the heater is lower than −0.04 ° C./min, the frequency of dendrite generation / growth from the neck portion increases, and the temperature raising / lowering rate falls within the range of −0.04 ° C./min to + 5 ° C. If so, the generation and growth of dendrites from the neck portion can be effectively suppressed, and if the heating rate of the heater is higher than + 5 ° C./min, the seed immersed in the raw material melt will melt (hereinafter referred to as melt-off). .) Because the frequency increases.
Furthermore, if the difference between the heater temperature at the start of seed pulling and the heater temperature at which the single crystal starts cone growth from the neck is 5 ° C or less, the effect of the occurrence and growth frequency of dendrites at the neck is effective. Can be suppressed.
That is, by setting the difference between the heater temperature increase / decrease rate, the heater temperature at the start of seed pulling up, and the heater temperature at which the single crystal starts cone growth from the neck portion within the above range, the seed melt-off and Stable single crystal growth can be realized by suppressing both generation and growth of dendrites at the neck.
[0017]
A fourth invention is a single crystal ingot of a compound semiconductor containing Ga or In, pulled up by a liquid-sealed Czochralski method,
A single crystal ingot having a neck length of 8 mm or less.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, taking GaAs single crystal pulling as an example.
In FIG. 1 and FIG. 2, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0019]
(Single crystal growth equipment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view when a single crystal manufacturing apparatus 10 is used to pull up a GaAs compound semiconductor single crystal according to an embodiment of the present invention.
The single crystal manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1 is the same in structure and mechanism as the single crystal manufacturing apparatus 10 shown in FIG.
That is, the single crystal manufacturing apparatus 10 includes a pressure vessel 11, a heat insulating material 19 installed inside the pressure vessel 11, a heater 16 installed inside the heat insulating material 19, and a crucible installed inside the heater 16. And a crucible 13 held by a holder 14.
Since the crucible 13 is connected to the crucible holder 14 holding the crucible 13 and the crucible rotating shaft 15, the desired rotation and elevation of the crucible 13 can be performed without breaking the airtightness of the pressurized inert gas atmosphere 12 in the pressure vessel 11. Can exercise.
[0020]
In the crucible 13, a compound semiconductor such as GaAs is heated by the heater 16 and melted to form a raw material melt 31. This raw material melt 31 is sealed with a liquid sealing material 37 such as B ₂ O ₃ . The temperature of the crucible 13 is controlled by the temperature sensor 20.
On the other hand, above the crucible 13, a seed 32 is attached via a seed holder 17 to a seed rotation shaft 18 whose rotation center coincides with the crucible rotation shaft 15. Desired rotation and elevation movement can be performed at the center of the liquid surface in the liquid 31 and the liquid sealing material 37.
[0021]
In the crucible 13, the GaAs melt 31 that has been heated by the heater 16 to become liquid exists in the lower layer, and B ₂ O ₃ that has also been heated to become liquid in the upper layer as the sealing material 37.
The seed holder 17 is provided with a GaAs single crystal seed 32, and the GaAs single crystal ingot is being pulled up from the GaAs melt 31. The state illustrated in FIG. 1 is a state in which the straight body portion 36 is being formed after the cone growth starts from the neck portion 33 and the cone growth portion 35 is formed.
[0022]
(Raising of single crystal ingot)
The crucible 13 is charged with raw material GaAs and sealing material B ₂ O ₃ , and the pressure vessel 11 is filled with a high-pressure atmosphere by an inert gas. The crucible 13 is heated by the heater 16 while rotating, and GaAs and B ₂ O ₃ are made into a two-layer melt.
Here, the liquid temperature of the GaAs melt 31 is 1238 ° C., which is the melting point of GaAs, and the rotational speed of the crucible 13 is 1 to 30 rpm, and then the seed 32 is lowered while rotating in reverse with the crucible 13 at a rotational speed of 10 rpm. Is immersed in the GaAs melt 31.
The reason why the rotation direction of the seed 32 and the rotation direction of the crucible 13 are reversed is that the cutting phenomenon of the neck portion 33 can be avoided by this reverse rotation.
[0023]
Next, the heating by the heater 16 is appropriately adjusted, and when the meniscus 34 is in a state suitable for starting the growth of the single crystal, the seed 32 starts to be pulled up and the neck portion 33 is formed.
As the seed 32 is pulled up, the rotational speed of the crucible 13 is increased. As described above, the gradient for increasing the rotational speed is preferably 0.05 to 5 rpm / min.
Then, although cone growth starts from the neck part 33, it is preferable that the rotation speed of the crucible 13 in that case shall be 1-30 rpm as mentioned above.
Furthermore, the temperature increasing / decreasing speed of the heater 16 from the start of raising the seed 32 to the start of the growth of the cone growing portion 35 from the neck portion 33 is set to the range of −0.04 to + 5 ° C./min as described above. The difference between the temperature of the heater 16 at the start of pulling up the seed 32 and the temperature of the heater 16 when starting the growth of the cone growth portion 35 from the neck portion 33 is set to 5 ° C. or less.
By adopting this configuration, when the cone growth portion 35 starts to grow from the neck portion 33, the generation and growth of dendrites starting from the neck portion 33 corresponding to the interface between the GaAs melt 31 and the sealing material 37 are suppressed. be able to.
[0024]
As described above, the cause of the generation and growth of dendrites is that a portion having a small horizontal temperature gradient is formed in the vicinity of the meniscus in the raw material melt. Next, as the liquid temperature of the raw material melt decreases, a portion with a small temperature gradient near the meniscus becomes a supercooled portion having a wide distribution. The presence of this supercooled portion has caused the generation and growth of dendrites.
The generation / growth of dendrite is suppressed by the above configuration because the temperature gradient in the horizontal direction of the GaAs melt 31 is increased by increasing the rotational speed of the crucible 13 as the seed 32 is pulled up, as shown in FIG. It is considered that the cone growth of the single crystal ingot could be started in a state in which the formation of the supercooled portion 39 of the GaAs melt 31 was suppressed in the vicinity of the meniscus 34.
[0025]
In addition, by adopting the above configuration, it is now possible to return to FIG. 1 again, and to make the length of the neck portion 33 when starting cone growth from the neck portion 33 to be 8 mm or less.
As described above, the generation / growth of the dendrite 38 is promoted even if the temperature lowering rate of the heater 16 is increased with the aim of shortening the length of the neck portion 33 in the past, and the meltback is performed each time. In the end, it was difficult to reduce the length of the neck portion 33 to 15 mm or less. The difficulty of shortening the length of the neck portion 33 is one of the problems that hinder the improvement of production efficiency in the production of single crystal ingots.
[0026]
As described above, by adopting the above-described configuration, the frequency of melting back the seed 32 in pulling up the single crystal ingot is reduced, and the length of the neck portion 33 can be made 8 mm or less. As a result, the production efficiency of single crystal ingots can be greatly increased.
[0027]
Example 1
The crucible is charged with GaAs as a raw material and B ₂ O ₃ as a sealing material, and the pressure vessel is filled with a high-pressure atmosphere with an inert gas. Heating with a heater while rotating the crucible, GaAs and B ₂ O ₃ are made into a two-layer melt.
Here, after the liquid temperature of the GaAs melt is set to 1238 ° C., the seed is lowered while rotating reversely with the crucible, and the tip of the seed is immersed in the GaAs melt.
[0028]
The heating of the heater is adjusted, and when the state of the meniscus formed at the tip of the seed becomes a state suitable for starting the growth of the single crystal, the seed pulling is started.
As the seed is pulled up, the rotational speed of the crucible is increased. The gradient for increasing the rotational speed is 0.09 rpm / min, and the rotational speed of the crucible when the growth of the single crystal ingot starts cone growth from the neck portion. The change width was 5 rpm.
Similarly, the temperature increase / decrease rate of the heater at the start of the seed pulling is set to + 0.02 ° C./min, the heater temperature at the start of the seed pulling up, and the growth of the single crystal ingot when the cone growth starts from the neck portion. The difference from the heater temperature was set to 1 ° C., and the GaAs single crystal ingot was pulled up.
[0029]
In pulling up the GaAs single crystal ingot, the frequency of dendrite generation was 10% or less. The length of the neck portion of the pulled GaAs single crystal ingot could be 8 mm.
[0030]
(Example 2)
The gradient for increasing the rotation speed of the crucible is 0.24 rpm / min, the change width of the rotation speed of the crucible when the growth of the single crystal ingot starts from the neck portion is 9 rpm, and the temperature of the heater when the seed is started to be raised The speed is + 0.1 ° C / min, and the difference between the heater temperature at the start of pulling up the seed and the heater temperature at which the growth of the single crystal ingot starts the cone growth from the neck is 2.5 ° C. The GaAs single crystal ingot was pulled up by the same operation as in Example 1.
[0031]
In pulling up the GaAs single crystal ingot, the frequency of dendrite generation was 10% or less. Further, the length of the neck portion of the pulled GaAs single crystal ingot could be 6 mm.
[0032]
(Example 3)
The gradient for increasing the rotation speed of the crucible is 0.5 rpm / min, the change width of the rotation speed of the crucible when the growth of the single crystal ingot starts the cone growth from the neck portion is 10 rpm, and the temperature of the heater when the seed is started to be raised The speed is + 0.15 ° C./min, the difference between the heater temperature at the start of seed pulling and the heater temperature at the start of cone growth from the neck portion of the single crystal ingot is 3 ° C. The GaAs single crystal ingot was pulled up by the same operation as in No. 1.
[0033]
In pulling up the GaAs single crystal ingot, the frequency of dendrite generation was 10% or less. Further, the length of the neck portion of the pulled GaAs single crystal ingot could be 5 mm.
[0034]
Example 4
The gradient for increasing the rotation speed of the crucible is 1 rpm / min, the change width of the rotation speed of the crucible when the growth of the single crystal ingot starts from the neck portion is 15 rpm, and the temperature increase / decrease rate of the heater at the start of the seed pulling is increased. + 0.26 ° C./min, and the difference between the heater temperature at the start of seed pulling and the heater temperature at which the growth of the single crystal ingot starts cone growth from the neck is 4 ° C. The GaAs single crystal ingot was pulled up by the same operation.
[0035]
In pulling up the GaAs single crystal ingot, the frequency of dendrite generation was 10% or less. The length of the neck portion of the pulled GaAs single crystal ingot could be 4 mm.
[0036]
(Comparative example)
The number of revolutions of the crucible was constant, the temperature raising / lowering speed of the heater at the start of pulling up the seed was -0.09 ° C./min, and the GaAs single crystal ingot was pulled up by the same operation as in Example 1.
[0037]
In pulling up this GaAs single crystal ingot, the frequency of dendrite generation was 50%. The length of the neck portion of the pulled GaAs single crystal ingot was 15 mm.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, when pulling up the seed immersed in the raw material melt in the single crystal growth process by the LEC method, the single crystal is cone-grown from the neck portion by pulling up the single crystal while increasing the rotational speed of the crucible. In this case, it was possible to suppress the generation and growth of dendrite from the neck portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view at the time of pulling a single crystal by a method according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view at the time of pulling a single crystal by a conventional method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Single crystal production apparatus 11 Pressure vessel 12 Inert gas atmosphere 13 Crucible 14 Crucible holder 15 Crucible rotating shaft 16 Heater 17 Seed holder 18 Seed rotating shaft 19 Heat insulating material 20 Temperature sensor 31 Raw material melt 32 Seed 33 Neck part 34 Meniscus 35 Cone Growth part 36 Straight body part 37 Sealing material

Claims

A single crystal manufacturing method using a liquid-sealed Czochralski method,
Pulling up the seed crystal soaked in the raw material melt of the single crystal and starting neck portion growth,
A method for producing a single crystal, characterized by increasing the rotational speed of a crucible.

The method for producing a single crystal according to claim 1,
From the start of pulling up the seed crystal, the gradient for increasing the rotational speed of the crucible is 0.05 to 5 rpm / min, and the heating / cooling speed of the heater is within the range of −0.04 to + 5 ° C./min. A method for producing a single crystal, comprising:

A method for producing a single crystal according to claim 2,
A method for producing a single crystal, characterized in that after the neck portion of the single crystal is grown, the rotational speed of the crucible when cone growth starts is in the range of 1 to 30 rpm.

A method for producing a single crystal according to claim 2 or 3,
The method for producing a single crystal, wherein a difference between a heater temperature at the start of pulling up of the seed crystal and a heater temperature until the cone growth of the single crystal starts is 5 ° C. or less.